3B SCIENTIFIC PHYSICS

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1 3B SCIENIFIC PHYSICS Lâmpada de Stefan-Boltzmann Instruções de operação 11/12 NF/ALF 1. Indicações de segurança A lâmpada de Stefan-Boltzmann corresponde às determinações de segurança para dispositivos elétricos de medição, de comando, de regulação e de laboratório segundo DIN EN parte 1. Ela foi projetada para a operação em ambientes secos, que são apropriados para os meios de operação elétricos. Na utilização segundo foi determinado, o uso seguro do equipamento é garantido. A segurança, não obstante, não é garantida, quando os aparelhos são operados de forma imprópria ou são manuseados sem os devidos cuidados. Atenção: A lâmpada fica muito quente durante a operação. Existe o perigo de queimaduras no contato! Adicionalmente podem-se marcar resíduos gordurosos por queimadura. Não segurar a lâmpada com os dedos. Ao finalizar a experiência deixar esfriar a lâmpada. Dica: No caso de tensões de conexão superiores a 13 V o fio incandescente será destruído. Jamais ligar uma tensão superior a 13 V nas duas tomadas de 4 mm. 1

2 2. Descrição A lâmpada de Stefan-Boltzmann é uma fonte de alta temperatura com um fio incandescente de Wolfram. Ela serve para a produção de radiação de calor e para a avaliação da sua dependência de temperatura, respectivamente, para a confirmação da lei de Stefan-Boltzmann na forma de P = ε σ A 4 Nisto P é a potencia radiada, é a temperatura absoluta do fio incandescente, A a sua superfície, σ é a constante de Stefan- Boltzmann e ε é uma constante sem dimensão entre 0 e 1. Com isto a temperatura da lâmpada é calculada da resistência da espiral de aquecimento. O fio incandescente representa numa aproximação muito boa uma fonte de radiação pontual e com isto é adequado para a avaliação da lei da raiz quadrada recíproca da distância. 3. Fornecimento 5. Operação 5.1 roca da lâmpada Para a troca de lâmpada são necessárias adicionalmente as seguintes ferramentas: 1 Lâmpada de 12 V / 21 W, base BA15S 1 Chave de fenda 1 Papel de lixa 1 Ferro de solda Estanho para solda Desparafusar a coberta do verso da armação. Dessoldar a lâmpada. Lixar e estanhar os lugares onde vai ser soldado o fio da nova lâmpada. Inserir a lâmpada e soldar-a. estar a lâmpada com 12 V. Aparafusar de novo a armação. 5.2 Medição da resistência do fio incandescente em temperatura de ambiente 1 Vara de apoio, comprimento de 130 mm 1 Lâmpada de Stefan-Boltzmann Adicionalmente necessário: 1 Multímetro digital P Bloco para acomodação Cabo de segurança para experiências 4. Dados técnicos ensão nominal: Corrente nominal: Potencia nominal: Valores de operação máx.: emperatura máxima do fio incandescente: Distancia do fio incandescente para a vara de apoio: 12 V DC 1,75 A 21 W 13 V DC / 2 A mm Inserir cada uma das ligações de medição nas tomadas de COM- e de V Ω ma do multímetro digital e curto-circuitar. Selecionar a escala de Ω, aguardar pela indicação de zero, e seguidamente apertar brevemente a tecla de REL. Abrir o curto-circuito da conexão de medição e inserir as ligações nas duas tomadas da lâmpada de Stefan- Boltzmann. Ler o valor da resistência R ref e anotar. Retirar as ligações de medição. Com o sensor térmico do multímetro medir na proximidade da lâmpada a temperatura do ambiente ref em elvin e anotar. 2

3 5.3 Medição da intensidade da radiação em dependência da temperatura verificada do fio incandescente deste, com a ajuda do diagrama 2, respectivamente, da tabela 3, verificar a temperatura. Indicação: na tabela 3 é indicado o quociente R / R ref tanto para ref = 300 como também para ref = 290. Para uma analise mais precisa pode ser interpolado entre esses valores, para tomar em consideração a temperatura de ambiente real. 5.4 Avaliação Para a comprovação da lei de Stefan Boltzmann representar a intensidade Φ em dependência de 4, ver o exemplo da medição 6. Acionalmente necessário: 1 Bloco de acomodação Coluna térmica Multímetros digitais P Fonte de alimentação DC 20 V (@230V) ou 1 Fonte de alimentação DC 20 V (@115V) Cabo de segurança para experiências Material de apoio No inicio da experiência efetuar a medição da resistência do fio incandescente e da temperatura de ambiente, como descrito no ponto 5.2. Seguidamente conectar a coluna térmica no micro-voltímetro. Montar a lâmpada de Stefan-Boltzmann diante da coluna térmica e interconectá-la com a fonte de alimentação DC e os dois multímetros. Ajustar a tensão U aumentando a cada vez em 1 V até máx. 12 V e medir com a coluna térmica a intensidade radiada Φ. Medir a tensão da lâmpada U e a corrente da lâmpada I e calcular a resistência do fio incandescente R segundo a lei de Ohm. Com os valores verificados ref, R ref, R e os coeficientes de resistência e temperatura 3 1 α = 4,4 10 para Wolfram, a temperatura do fio incandescente pode ser calculada segundo a fórmula R Rref = + ref R. α ref Uma possibilidade alternativa para a determinação da temperatura do fio incandescente é, calcular o quociente R / R ref e 6. Descarte A embalagem deve ser descartada nos postos de reciclagem locais. Em caso que o próprio aparelho deve ser sucateado, ele não pertence ao lixo caseiro normal. Devem ser cumpridas as regulamentações locais para o descarte de sucata eletrônica. 3

4 / / Dia. 1 Resistência específica de Wolfram em dependência da temperatura absoluta, compare com a ab. 3. A curva foi adaptada aos valores de medição de Zerda,.W., exas Christian University R 20 / Rref / Dia. 2 Dos valores do diagrama 1 são calculados as situações de resistências R() / R 300 (preto), respectivamente, R() / R 290 (vermelho). 4

5 7. Exemplo de medição 1. Medir a temperatura de ambiente ref e a resistência do fio incandescente R ref da lâmpada. 2. Medir a tensão da lâmpada U, a corrente da lâmpada I e a intensidade radiada Φ. 3. Calcular R = U/I. R Rref 4. Calcular = + ref R. α ref 5. Representar Φ em dependência de 4. R ref ref ab. 1 Valores de medição 0,541 Ω 297 U em V I em A R em Ω em Φ em V 0, ,006 0, ,0502 0,554 1, ,0001 2,033 0,706 2, ,0004 3,012 0,837 3, ,0011 4,003 0,958 4, ,0019 5,012 1,071 4, ,0029 6,017 1,174 5, ,0042 7,074 1,276 5, ,0058 8,028 1,362 5, ,0072 9,011 1,446 6, , ,088 1,534 6, , ,02 1,607 6, , ,685 1,68 6, ,0145 ab. 2 Valores de medição Φ V 0,016 0,014 0,012 0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0,000 4 x ,00E+009 4,00E+009 6,00E+009 8,00E+009 Dia. 3 Intensidade de radiação em dependência da temperatura 5

6 R ( ) R( ) R 300 R 290 R ( ) R( ) R 300 R 290 R ( ) R( ) R 300 R 290 R ( ) R( ) R 300 R ,17 1, ,86 2,900 3, ,49 5,106 5, ,46 7,424 7, ,50 1,000 1, ,76 2,951 3, ,53 5,160 5, ,65 7,481 7, ,84 1,041 1, ,65 3,003 3, ,58 5,214 5, ,85 7,537 7, ,19 1,083 1, ,55 3,054 3, ,63 5,268 5, ,06 7,594 7, ,56 1,125 1, ,46 3,105 3, ,69 5,322 5, ,26 7,651 7, ,93 1,167 1, ,37 3,157 3, ,75 5,376 5, ,47 7,707 8, ,33 1,209 1, ,28 3,208 3, ,81 5,430 5, ,69 7,764 8, ,73 1,252 1, ,19 3,260 3, ,87 5,484 5, ,90 7,821 8, ,14 1,295 1, ,11 3,312 3, ,94 5,539 5, ,13 7,878 8, ,57 1,338 1, ,03 3,363 3, ,02 5,593 5, ,35 7,935 8, ,02 1,381 1, ,96 3,415 3, ,09 5,648 5, ,58 7,992 8, ,47 1,424 1, ,89 3,467 3, ,18 5,702 5, ,81 8,050 8, ,94 1,468 1, ,82 3,519 3, ,26 5,757 6, ,05 8,107 8, ,42 1,512 1, ,76 3,571 3, ,35 5,811 6, ,28 8,164 8, ,91 1,556 1, ,70 3,623 3, ,44 5,866 6, ,53 8,222 8, ,42 1,600 1, ,64 3,675 3, ,53 5,921 6, ,77 8,279 8, ,94 1,645 1, ,59 3,727 3, ,63 5,976 6, ,02 8,337 8, ,47 1,690 1, ,54 3,779 3, ,73 6,031 6, ,28 8,394 8, ,02 1,735 1, ,50 3,832 3, ,84 6,086 6, ,53 8,452 8, ,57 1,780 1, ,45 3,884 4, ,95 6,141 6, ,79 8,510 8, ,15 1,826 1, ,42 3,937 4, ,06 6,196 6, ,06 8,567 8, ,73 1,871 1, ,38 3,989 4, ,18 6,251 6, ,33 8,625 8, ,33 1,917 2, ,35 4,042 4, ,30 6,306 6, ,60 8,683 9, ,93 1,963 2, ,32 4,094 4, ,42 6,361 6, ,87 8,741 9, ,56 2,010 2, ,30 4,147 4, ,55 6,417 6, ,15 8,799 9, ,19 2,056 2, ,28 4,200 4, ,68 6,472 6, ,43 8,857 9, ,84 2,103 2, ,26 4,252 4, ,82 6,528 6, ,72 8,915 9, ,50 2,150 2, ,25 4,305 4, ,95 6,583 6, ,01 8,974 9, ,17 2,198 2, ,24 4,358 4, ,10 6,639 6, ,30 9,032 9, ,86 2,245 2, ,23 4,411 4, ,24 6,695 6, ,60 9,090 9, ,56 2,293 2, ,23 4,464 4, ,39 6,750 7, ,90 9,149 9, ,27 2,341 2, ,23 4,517 4, ,54 6,806 7, ,20 9,207 9, ,13 2,392 2, ,24 4,571 4, ,70 6,862 7, ,51 9,266 9, ,98 2,442 2, ,25 4,624 4, ,86 6,918 7, ,82 9,324 9, ,85 2,493 2, ,26 4,677 4, ,02 6,974 7, ,13 9,383 9, ,71 2,544 2, ,28 4,731 4, ,19 7,030 7, ,45 9,442 9, ,58 2,594 2, ,29 4,784 4, ,36 7,086 7, ,77 9,500 9, ,45 2,645 2, ,32 4,837 5, ,53 7,142 7, ,10 9,559 9, ,33 2,696 2, ,34 4,891 5, ,71 7,198 7, ,43 9,618 10, ,20 2,747 2, ,37 4,945 5, ,89 7,255 7, ,76 9,677 10, ,09 2,798 2, ,41 4,998 5, ,08 7,311 7, ,10 9,736 10, ,97 2,849 2, ,45 5,052 5, ,27 7,368 7, ,44 9,795 10,216 6

7 R ( ) R( ) R 300 R 290 R ( ) R( ) R 300 R 290 R ( ) R( ) R 300 R 290 R ( ) R( ) R 300 R ,78 9,854 10, ,95 12,335 12, ,18 14,923 15, ,45 17,618 18, ,13 9,914 10, ,45 12,397 12, ,82 14,988 15, ,24 17,686 18, ,48 9,973 10, ,95 12,459 12, ,46 15,052 15, ,0 17,753 18, ,83 10,032 10, ,45 12,521 13, ,11 15,117 15, ,8 17,820 18, ,19 10,092 10, ,95 12,583 13, ,77 15,182 15, ,6 17,887 18, ,55 10,151 10, ,46 12,645 13, ,42 15,246 15, ,4 17,954 18, ,91 10,211 10, ,97 12,707 13, ,08 15,311 15, ,2 18,022 18, ,28 10,270 10, ,49 12,770 13, ,75 15,376 16, ,1 18,089 18, ,65 10,330 10, ,01 12,832 13, ,41 15,441 16, ,9 18,157 18, ,03 10,390 10, ,53 12,894 13, ,08 15,506 16, ,7 18,224 19, ,41 10,450 10, ,06 12,957 13, ,76 15,571 16, ,5 18,292 19, ,79 10,510 10, ,59 13,019 13, ,44 15,636 16, ,3 18,360 19, ,18 10,569 11, ,12 13,082 13, ,12 15,701 16, ,2 18,428 19, ,57 10,629 11, ,66 13,144 13, ,80 15,766 16, ,0 18,495 19, ,96 10,690 11, ,20 13,207 13, ,49 15,832 16, ,8 18,563 19, ,36 10,750 11, ,75 13,270 13, ,18 15,897 16, ,7 18,631 19, ,76 10,810 11, ,30 13,333 13, ,88 15,962 16, ,5 18,699 19, ,17 10,870 11, ,85 13,395 13, ,58 16,028 16, ,4 18,767 19, ,57 10,930 11, ,40 13,458 14, ,28 16,093 16, ,2 18,836 19, ,99 10,991 11, ,96 13,521 14, ,99 16,159 16, ,1 18,904 19, ,40 11,051 11, ,53 13,584 14, ,70 16,225 16, ,9 18,972 19, ,82 11,112 11, ,09 13,648 14, ,41 16,290 16, ,8 19,040 19, ,24 11,172 11, ,66 13,711 14, ,13 16,356 17, ,7 19,109 19, ,67 11,233 11, ,24 13,774 14, ,85 16,422 17, ,5 19,177 20, ,10 11,294 11, ,81 13,837 14, ,58 16,488 17, ,4 19,246 20, ,53 11,354 11, ,39 13,901 14, ,31 16,554 17, ,3 19,314 20, ,97 11,415 11, ,98 13,964 14, ,04 16,620 17, ,2 19,383 20, ,41 11,476 11, ,57 14,028 14, ,77 16,686 17, ,0 19,452 20, ,85 11,537 12, ,16 14,091 14, ,51 16,752 17, ,9 19,521 20, ,30 11,598 12, ,75 14,155 14, ,26 16,819 17, ,8 19,589 20, ,75 11,659 12, ,35 14,219 14, ,00 16,885 17, ,7 19,658 20, ,21 11,720 12, ,95 14,282 14, ,75 16,951 17, ,6 19,727 20, ,66 11,782 12, ,56 14,346 14, ,51 17,018 17, ,5 19,796 20, ,13 11,843 12, ,17 14,410 15, ,26 17,084 17, ,4 19,865 20, ,59 11,904 12, ,78 14,474 15, ,02 17,151 17, ,3 19,935 20, ,06 11,966 12, ,40 14,538 15, ,79 17,217 17, ,2 20,004 20, ,53 12,027 12, ,02 14,602 15, ,56 17,284 18, ,1 20,073 20, ,01 12,089 12, ,64 14,666 15, ,33 17,351 18, ,1 20,143 21, ,49 12,150 12, ,27 14,730 15, ,10 17,418 18, ,0 20,212 21, ,97 12,212 12, ,90 14,795 15, ,88 17,485 18, ,9 20,281 21, ,46 12,274 12, ,54 14,859 15, ,66 17,551 18, ,8 20,351 21,225 ab. 3 Resistência específica de Wolfram em dependência da temperatura absoluta e as situações de resistências daí calculadas R() / R 300, respectivamente, R() / R 290. Comparar com o dia. 1. 3B Scientific GmbH Rudorffweg Hamburgo Alemanha Sob reserva de modificações técnicas Copyright B Scientific GmbH

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